DE3632701C2

DE3632701C2 -

Info

Publication number: DE3632701C2
Application number: DE3632701A
Authority: DE
Inventors: Hisatsugu Iwaki Fukushima Jp Kaji; Kuniyuki Abiko Chiba Jp Saitoh
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1985-10-04
Filing date: 1986-09-26
Publication date: 1989-05-03
Also published as: FR2588421A1; GB2181595B; CA1273990A; DE3632701A1; GB2181595A; FR2588421B1; JPS6282663A; US4778736A; GB8623959D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle des Phosphorsäuretyps und ein Verfahren zur Herstellung dieser und insbesondere ein Elektrodensubstrat mit einem Verteilerelement bestehend aus

(1) zwei porösen und kohlenstoffhaltigen Elektroden, die mit Durchflußkanälen für den gasförmigen Reaktanten versehen sind und mit beiden Oberflächen eines Separators über einen flexiblen Graphit bogen verbunden sind, sowie
(2) einem Separator, der über die Elektrode hinaus verlängert ist und
(3) einem Vertei lerelement, welches aus einer gasundurchlässigen und kompakten Kohlenstoffplatte besteht und mit Durchflußlei tungen versehen ist, um den gasförmigen Reaktanten zuzuführen, und das mit dem derart verlängerten Teil des Separators über einen flexiblen Graphitbogen verbunden ist, wobei die oben erwähnten insgesamt zusammengesetzten Materialien zu einem einzigen Körper aus Kohlenstoff verformt sind, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung des Elektrodensubstrates.

Im allgemeinen wird das Substrat als Elektrode in einer Brennstoffzelle des Phosphorsäuretyps gestapelt, so daß eine der Oberflächen des Substrates in Kontakt mit der Matrix der Phosphorsäure steht und die andere Oberfläche des Substrates mit dem Separator in Kontakt steht.

Um ferner eine Brennstoffzelle durch Aufeinanderstapeln der Elektrodensubstrate zu bilden, ist ein Verteilerelement im Randbereich des Elektrodensubstrates angeordnet, um den gasförmigen Reaktanten der Brennstoffzelle zuzuführen und gleichzeitig zu verhindern, daß eine Diffusion des gasförmigen Reaktanten von der Seite des Elektroden substrates nach außen erfolgt.

Bislang wurden bei derartigen Brennstoffzellen die zusammen gesetzten Materialien miteinander mittels eines Kohlen stoffzements verbunden. Da jedoch dieser Kohlenstoffzement oder Kohlenstoffkleber durch Phosphorsäure erodiert wird, zeigt sich ein Aufblättern der zusammengesetzten Materialien und ein Durchtritt von gasförmigen Reaktanten durch die Verbindungsteile.

Ferner ergab sich ein Problem bezüglich der mechanischen Festigkeit der Materialien, indem gelegentlich ein derartiges Elektrodensubstrat bei der Handhabung dann brechen konnte, wenn die Oberfläche zu groß ist, insbeson dere wenn die Elektrode im allgemeinen eine dünne Platten form hat.

Aufgrund von Untersuchungen über Verfahren zur Herstellung von Elektrodensubstraten mit Verteilerelementen für eine Brennstoffzelle, die nicht die oben erwähnten Nachteile haben, wurde festgestellt, daß ein Elektrodensubstrat mit einem Verteilerelement für eine Brennstoffzelle, bei der alle zusammengesetzten Materialien miteinander durch Kohlenstoff verbunden sind und weiterhin zu einem Körper calciniert sind, dieses eine besonders gute Beständigkeit gegenüber Phosphorsäure hat und daß, weil ein Randteil ebenfalls als Gasverteiler oder Verteilerelement mit dem äußeren Teil des Substrates zu einem Körper verarbeitet ist, sich ein verstärkender Effekt ergibt, so daß die Elektrode von ausgezeichneter Handhabbarkeit ist. Aufgrund dieser Feststellungen wurde die vorliegende Erfindung entwickelt.

Die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Elektrodensubstrates für eine Brennstoff zelle, welches ein Verteilerelement besitzt, wobei dieses mit einer Durchflußleitung zur Durchführung des gasförmigen Reaktanten versehen ist und in einen Körper zusammen mit dem Elektrodensubstrat gebildet und als Kohlenstoff ausgebildet ist.

Die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Elektrodensubstrates für eine Brennstoff zelle des Phosphorsäuretyps, welche hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Phosphorsäure ausgezeichnet ist.

Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle vorgesehen, das ein Verteilerelement besitzt, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

(1) zwei poröse und kohlenstoffhaltige Elektroden mit Durchflußkanälen für den gasförmigen Reaktanten vorgesehen sind und an beiden Oberflächen eines Separators über einen flexiblen Graphitbogen verbunden sind,
(2) der Separator sich über die Elektrode hinaus erstreckt und
(3) ein Verteilerelement vorgesehen ist, welches aus einer gasundurchlässigen und kompakten Kohlenstoffplatte besteht und eine Durchflußleitung zur Durchführung des gasförmigen Reaktanten besitzt und mit dem verlängerten Teil des Separators über einen flexiblen Graphitbogen verbunden ist, wobei die gesamten zusammengesetzten Materialien zu einem einzigen Körper aus Kohlenstoff ausgebildet sind.

Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodensubstrates für eine Brennstoffzelle, welche mit einem Verteilerelement versehen ist, vorgeschlagen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß man

(1) zwei flexible Graphitbogen mit beiden Oberflächen eines Separatormaterials mittels eines Klebstoffes verbindet,
(2) den Klebstoff auf jede der Verbindungsflächen von zwei porösen und kohlenstoffhaltigen Elektrodenmaterialien aufbringt, welche kleiner in ihrem Oberflächenbereich sind als der Separator, und welche mit Durchflußkanälen für den gasförmigen Reaktanten versehen sind, wobei die flexiblen Graphitbogen und das Verteilerelementmaterial aus einer gasundurchlässigen und kompakten Kohlenstoffplatte bestehen,
(3) daß man die beiden Elektrodenmaterialien mit den beiden Flächen des Separatormaterials über den flexiblen Graphit bogen verbindet und das Material des Verteilerelementes mit dem verlängerten Teil des Separators jenseits des Elektro denmaterials über den flexiblen Graphitbogen verbindet,
(4) die gesamten zusammengesetzten Materialien, die derart miteinander verbunden sind, unter einem verringerten Druck und/oder unter einer inerten Atmosphäre calciniert und ferner
(5) daß man bei einer beliebigen Stufe dieses Verfahrens Löcher oder Durchtritte vorsieht, die eine Durchflußleitung bilden, um den gasförmigen Reaktanten zuzuführen.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das Elektrodensubstrat gemäß Erfindung;

Fig. 2 und 3 entsprechende Querschnitte längs der Ebene II-II und III-III von Fig. 1;

Fig. 4 Teilschnitte der inneren Ausbildung des Verteiler elementes (linke Darstellungen) und Teilansichten der Innenausbildung (rechte Darstellungen) des Verteilerelementes.

Die Erfindung betrifft einen Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle, die mit einem Verteilerelement versehen ist, wobei zwei poröse und kohlenstoffhaltige Elektroden entsprechend mit Durchflußkanälen für den gasförmigen Reaktanten versehen sind und mit den beiden Flächen des Separators über eine flexible Graphitfolie verbunden sind; der Separator erstreckt sich über die Elektrode hinaus; das Verteilerelement, welches aus einer gasundurchlässigen und kompakten Kohlenstoffplatte besteht, ist mit den Durchfluß leitungen zur Durchführung des gasförmigen Reaktanten versehen und an dem derart verlängerten Teil des Separators mittels des flexiblen Graphitbogens verbunden, und alle die derart erhaltenen zusammengesetzten Materialien sind zu einem Körper als Kohlenstoff verformt worden; wobei ferner die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Elektrodensubstrates betrifft.

Das in den Figuren gezeigte Elektrodensubstrat gemäß Erfindung besteht aus zwei Elektroden 1 und 1′ mit Durch trittskanälen 5, 5′ für den gasförmigen Reaktanten und einem Separator 4, der zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist, und den Verteilerelementen 2, 2′ in Nachbarschaft zu dem Randbereich der Elektroden, wobei die verbindenden Teile jeder dieser Materialien mittels eines flexiblen Graphit bogens verbunden sind. Darüber hinaus ist die Durchtritts leitung 3 zur Durchführung des gasförmigen Reaktanten in dem Verteilerelement 2 angeordnet und durchdringt sowohl das Verteilerelement 2 als auch den Separator 4.

Die Durchtrittsleitung 3 für die Zufuhr des gasförmigen Reaktanten ist (1) mit dem Durchtrittskanal 5 für den gasförmigen Reaktanten verbunden, der in der Elektrode 1 vorgesehen ist, die aus einem Gasdiffusionsteil 6 und den Rippen 7 besteht, und zwar über die Durchflußleitung 11 für den gasförmigen Reaktanten, der in dem Verteilerelement 2 vorgesehen ist, oder ist (2) direkt verbunden mit dem Durchtrittskanal 5 des gasförmigen Reaktanten, der vorgesehen ist in der Elektrode 1, wobei die andere Elektrode 1′ durch das Verteilerelement 2′, wie in Fig. 3 gezeigt, abgeschlossen ist.

Nach Fig. 2 ist die Durchtrittsleitung 3′ zur Zufuhr des gasförmigen Reaktanten (1) verbunden mit dem Durchflußkanal 5′ für den gasförmigen Reaktanten, der in der Elektrode 1′ vorgesehen ist, über die Durchflußleitung 11′ für den gasförmigen Reaktanten, die vorgesehen ist in dem Vertei lerelement 2′, oder (2) direkt verbunden mit dem Durchfluß kanal 5′ für den gasförmigen Reaktanten, der in der Elektrode 1′ vorgesehen ist, während die andere Elektrode 1 durch das Verteilerelement 2 abgedichtet ist.

Der Durchtrittskanal 5 für den gasförmigen Reaktanten wird vorgegeben durch den gasdiffundierenden Teil 6 in der Elektrode 1 und die Rippe 7 und den Separator 4 oder das flexible Kohlenstoffblatt (siehe Bezugszeichen 30 in Fig. 4), das mit dem Separator 4 verbunden ist.

Die Elektrode besteht aus einem porösen und kohlenstoff haltigen Material, welches vorzugsweise eine mittlere Dichte (bzw. Schüttdichte) von 0,3 bis 0,9 g/cm³, eine Gaspermeabi lität von nicht weniger als 566 cm³/cm²· s · bar und einen elektrischen Widerstand von nicht mehr als 200 mOhm · cm nach einer Calcinierung bei einer Temperatur nicht unter 1000°C unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre hat.

Der Separator hat vorzugsweise eine mittlere Dichte (Schüttdichte) von nicht mehr als 1,40 g/cm³, eine Gas permeabilität von nicht mehr als 2,83 · 10^-6cm³/cm²· s · bar, einen elektrischen Widerstand von nicht mehr 10 mOhm · cm und eine Wandstärke von nicht mehr als 2 cm.

Es gibt verschiedene Ausführungsformen bezüglich der inneren Struktur des Verteilerelementes und einige Beispiele sind in Fig. 4 gezeigt. Die linken Figuren in Fig. 4 sind Teilschnitte des Verteilerelementes und die rechten Abbildungen in Fig. 4 sind Teilansichten des Verteilerelementes.

In der Abbildung (1) von Fig. 4 ist das Verteilerelement so konstruiert, daß es drei Teile 21, 22 und 23 bildet, und die Rippe 7 von einer der Elektroden eine Konstruktion hat, daß sie ein wenig unter den Verteilerteil 21, beispielsweise in der Stellung 7′′, eintritt. Die innere Kante des Verteiler teils 22 ist bei 22′ gezeigt. Die beiden Teile 21 und 22 des Verteilerelementes, 22 und der Separator 4 und 23 und der Separator 4 sind gegenseitig mittels des flexiblen Graphitbogen, wie bei 40 in (1) von Fig. 4 gezeigt, miteinander verbunden.

In (2) von Fig. 4 sind die Verteilerteile 21 und 22 der obigen Ausführung (1) zu einem Körper verformt, und das Verteilerelement besteht aus den beiden Teilen 21 und 23. Die Rippe endet in der gleichen Ebene 7′′ wie die Randfläche des Gasverteilerteiles 6. Zusätzlich ist die Oberfläche, die dem inneren Rand 22′ von (1) entspricht, durch 21′ gekennzeichnet.

In (3) und (4) von Fig. 4 ist eine Struktur gezeigt, bei der eine der Elektroden, die mit dem Separator verbunden sind, bis zu dem jeweiligen Ende der Durchtrittsleitung 3 für die Zufuhr des gasförmigen Reaktanten verlängert worden ist (wobei das Ende bei 1′′ gezeigt ist) und mit dem inneren Rand des Verteilerteils 21 in Kontakt steht.

Bei jedem der oben erwähnten Fälle ist der flexible Graphitbogen zwischen die oben erwähnten Materialien zwischengelegt worden, mit Ausnahme zwischen Elektrode und Verteilerelement, und die gesamten zusammengesetzten Materialien sind zu einem Körper verformt.

Zusätzlich zeigen die in Fig. 4 wiedergegebenen Strukturen nur einige Beispiele der inneren Struktur des Verteiler elementes, und zahlreiche Abwandlungen der inneren Struktur des Verteilerelementes fallen auch bei anderer Ausbildung unter die vorliegende Erfindung.

Vorzugsweise hat das oben erwähnte Verteilerelement eine mittlere (Schütt)-Dichte von nicht weniger als 1,40 g/cm³ und eine Gaspermeabilität von nicht mehr als 2,83 · 10^-4cm³/cm²· s · bar.

Wie oben erwähnt, ist bei dem Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle gemäß vorliegender Erfindung - wenngleich die gesamten zusammengesetzten Materialien miteinander mittels eines flexiblen Graphitbogens verbunden sind - die Menge des Gasdurchtrittes durch das Verteilerelement einschließlich der miteinander verbundenen Teile vorzugs weise nicht mehr als 2,83 · 10^-2 · cm³/cm²· s · bar, wobei der Durchtritt wiedergegeben wird als Menge des Gasdurchtrittes je Länge des Randes der miteinander verbundenen Teile unter einem bestimmten Differentialdruck je Zeiteinheit, nämlich durch das Verhältnis von (Menge des Gasdurchtrittes/Länge der Seite · Differentialdruck).

Um das Elektrodensubstrat, das mit einem Verteilerelement versehen ist, für eine Brennstoffzelle gemäß Erfindung vorzusehen, werden die Elektrodenmaterialien, das Separator material und das Material des Verteilerelementes zusammen verbunden, wobei man einen flexiblen Graphitbogen zwischen die zusammengesetzten Materialien mittels eines Klebstoffes zwischenlegt und die gesamten zusammengesetzten derart verbundenen Materialien dann unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre calciniert.

Zusätzlich kann der Durchtritt 3, der die Durchtrittsleitung zur Durchführung des gasförmigen Reaktanten des Verteiler elementes wird, bei jedem beliebigen Schritt bei der Herstellung zur Erzeugung des Elektrodensubstrats gemäß Erfindung angebracht werden; beispielsweise kann die Durchbrechung 3 vor oder nach Verbindung des Verteiler materials mit dem Elektrodenmaterial und mit dem Separator material angebracht werden. Selbstverständlich ist es vorzuziehen, einen Durchtritt 11 anzubringen, der diese Durchbrechung 3 mit dem Durchflußkanal 5 des Elektroden materials verbindet, bevor das Verteilermaterial verbunden wird.

Im folgenden soll ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Elektrodensubstrates, das mit einem Verteilerelement versehen ist, für eine Brennstoffzelle gemäß Erfindung erläutert werden.

Zuerst werden zwei poröse und kohlenstoffhaltige Elektroden materialien, die mit Durchflußkanälen für den gasförmigen Reaktanten versehen sind, und das Separatormaterial, welches größer in dem Oberflächenbereich als das Elektrodenmaterial ist, miteinander verbunden, wobei der flexible Graphitbogen zwischen jeweils die Elektrodenmaterialien und das Separatormaterial gelegt werden, so daß das Separator material sich über das Elektrodenmaterial erstreckt, wobei man einen Klebstoff verwendet.

Als Elektrodenmaterial für das Elektrodensubstrat gemäß Erfindung können die folgenden Materialien verwendet werden:

(1) Ein Material, welches durch thermisches Verformen einer Mischung von kurzen Kohlenstoffäden, einem Bindemittel und einem organischen granulierten Material unter einem Druck z.B. gemäß japanischer Offenlegungsschrift Nr. 59-68170 (1984) erhalten worden ist, und insbesondere ein Material, welches durch thermisches Verformen einer Mischung bestehend aus 20 bis 60 Gew.% kurzer Kohlenstoffäden mit nicht mehr als 2 mm Länge, 20 bis 50 Gew.% eines Phenolharzes und 20 bis 50 Gew.% einer organischen granulierten Substanz (einem Mikroporenregulator) unter den Bedingungen einer Verfor mungstemperatur von 100 bis 180°C, einem Verformungsdruck von 0,3 bis 9,91 MPa und einer Preßzeit von 1 bis 60 Minuten erhalten worden ist,
(2) einem Material, welches durch Calcinieren des verformten Materials gemäß (1) bei einer Temperatur von nicht unter 1000°C unter einem verringerten Druck und/oder unter inerter Atmosphäre erhalten worden ist,
(3) einem verformten Material, welches (a) aus einem gasdiffundierenden Teil aus einem mit Harz imprägnierten Papierbogen besteht, welcher hergestellt worden ist durch Imprägnierung von Papierbogen, die durch eine Mischung von Kohlenstoffäden von nicht mehr als 20 mm Länge, mindestens einer Sorte von organischen Fäden ausgewählt aus Pulpe, regenerierten Cellulosefäden und Polyacrylnitrilfäden usw. und einem Bindemittel aus der Papierherstellung durch ein Papierherstellungsverfahren mit einer Lösung eines Phenolharzes, beispielsweise gemäß japanischer Patentan meldung 53-18603 (1978) erhalten wurde und (b) Rippen, die hergestellt worden sind durch Verformen des Rohmaterials wie es in (1) gezeigt ist, und
(4) einem Material, welches durch Calcieren des verformten Materials gemäß (3) bei einer Temperatur von nicht unter 1000°C unter einem verringerten Druck und/oder unter inerter Atmosphäre erhalten wurde.

Als Separatormaterial kann gemäß Erfindung eine kompakte Kohlenstoffplatte verwendet werden, die eine Schrumpfung unter Calcinierungsbedingungen von nicht mehr als 0,2% zeigt, falls das Material bei 2000°C unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre calciniert worden ist.

Als flexibles Graphitblatt wird gemäß Erfindung vorzugsweise ein Produkt verwendet, welches durch Verpressen von expandierten Teilchen erhalten wird, die beispielsweise dadurch erhalten wurden, daß man Graphitteilchen von nicht mehr als 5 mm Durchmesser einer Säurebehandlung unterwirft und die derart mit Säure behandelten Graphitteilchen weiter erhitzt, wobei vorzugsweise dieser Graphitbogen eine Dicke von nicht mehr als 1 mm, eine (Schütt)-Dichte von 1,0 bis 1,5 g/cm³, eine Kompressionsbelastung (nämlich ein Verformungsverhältnis bei einer Kompressionsbela stung von 9,087 · 10^-2N/mm² von nicht mehr als 3,57 · 10^-2mm²/N und eine solche Flexibilität besitzt, daß die Folie nicht bricht, wenn man sie zu einem Kreis mit einem Durchmesser von 20 mm biegt. Als Beispiel für im Handel erhältliche flexible Graphitfolien sei GRAFOIL (hergestellt von der Union Carbide Corp., USA) erwähnt.

Anschließend wird das Verteilermaterial mit dem verlängerten Teil des derart erhaltenen Separatormaterials, welches über die Elektrode des Elektrodensubstrates hinausreicht, verbunden, während man einen flexiblen Graphitbogen zwischen das Verteilermaterial und das Separatormaterial mittels eines Klebstoffes anordnet.

Als Verteilermaterial wird ein kompaktes Kohlenstoffmaterial verwendet, welches eine Calcinierungsschrumpfung von nicht mehr als 0,2% aufweist, wenn das Material unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre bei 2000°C calciniert wird.

Als Klebmittel, welches auf die jeweiligen Verbindungs flächen zum Zeitpunkt der Verbindung der oben erwähnten Elektrodenmaterialien, des Separatormaterials und des Verteilermaterials zusammen über den flexiblen Graphitbogen verwendet wird, kann jeder Klebstoff verwendet werden, der im allgemeinen zur Verbindung von üblichen Kohlenstoffmate rialien eingesetzt wird, jedoch wird vorzugsweise ein wärmehärtbares Harz verwendet, welches ausgewählt ist aus Phenolharzen, Epoxyharzen und Furanharzen.

Wenngleich die Dicke der Klebstoffschicht nicht besonders beschränkt ist, wird vorzugsweise der Klebstoff gleichmäßig in einer Stärke von im allgemeinen nicht mehr als 0,5 mm aufgetragen.

Darüber hinaus kann die Verbindung des oben erwähnten Klebstoffes unter Temperaturbedingungen von 100 bis 180°C, einem Verbindungsdruck von 0,25 bis 5,00 MPa und einer Preßzeit von 1 bis 120 Minuten erfolgen.

Anschließend werden die derart erhaltenen zusammengesetzten Materialien nachgehärtet, indem man sie mindestens zwei Stunden bei der Preßtemperatur erhitzt und dann bei einer Temperatur von 800 bis 3000°C etwa 1 Stunde unter verringer tem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre calciniert.

Da das Verteilerelement des Elektrodensubstrates, das mit einem Verteilerelement für eine Brennstoffzelle gemäß Erfindung versehen ist, mit dem Substrat zu einem Körper vereint worden ist, ist die Zufuhr und die Ableitung des erforderlichen Gases in Form einer gesamten Brennstoffzelle möglich durch jede Verteilerabschnitte der aufeinander gestapelten Brennstoffzellen, wenn der gasförmige Reaktant einfach in das Verteilerelement eingeleitet wird, und demzufolge ist es natürlich nicht erforderlich, einen äußeren Verteiler vorzusehen, um den gasförmigen Reaktanten zuzuführen oder abzuleiten, welches bei den konventionellen Brennstoffzellen als erforderlich angesehen wurde, und gleichzeitig ergibt sich die folgende Wirkung für diese Konstruktion.

Die gesamten Materialien des Elektrodensubstrates gemäß Erfindung sind zu einem einzigen Körper als Kohlenstoff verformt und demzufolge ist das Elektrodensubstrat gemäß Erfindung ausgezeichnet hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Phosphorsäure und ist insbesondere als Elektroden substrat für eine Brennstoffzelle des Phosphorsäuretyps geeignet.

Darüber hinaus, da das Verteilerelement gleichmäßig angeordnet und um das Elektrodensubstrat herum in dünner Plattenform verbunden ist, ergibt sich ein verstärkender Effekt aufgrund einer derartigen Konstruktion, und als Ergebnis ist das erfindungsgemäße Elektrodensubstrat hinsichtlich seiner Handhabbarkeit bei der Herstellung der Brennstoffzelle ausgezeichnet.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1. Elektrodenmaterial

Es wurden 35 Gew.% kurze Kohlefasern (hergestellt von KUREHA KAGAKU KOGYO Co., Ltd. unter dem Handelsnamen M-204S, durchschnittlicher Durchmesser 14 µm und durchschnittliche Länge 400 µm) und 30 Gew.% eines Phenolharzes (hergestellt von ASAHI YUKIZAI K.K. unter dem Handelsnamen RM-210) und 35 Gew.% Polyvinylalkohol-Granulat (hergestellt von NIHON GOSEI KAGAKU KOGYO Co., Ltd. mit einem mittleren Durchmesser von 180 µm) gemischt. Die so erhaltene Mischung wurde in eine vorgegebene Metallform gegeben und bei einer Temperatur von 135°C und einem Druck von 3,53 MPa 20 Minuten lang verpreßt, wobei eine 600 mm breite, 720 mm lange und 1,5 mm dicke gerippte Elektrode erhalten wurde. Die Stärke der Rippen und die Dicke des gasdiffundierenden Teiles betrug 1,0 mm bzw. 0,5 mm.

2. Separatormaterial

Es wurde eine kompakte Kohlenstoffplatte mit einer Dicke von 0,8 mm (Hersteller: SHOWA DENKO Co., Ltd.) in Einzel abschnitte von 720 mm×720 mm geschnitten und als Separator material verwendet.

3. Verteilermaterial

Es wurde eine kompakte Kohlenstoffplatte (Hersteller: TOKAI Carbon Co., Ltd.) mit einer Dichte von 1,85 g/cm und einer Dicke von 1,5 mm in zwei Abschnitte von 60 mm Breite und 720 mm Länge und in zwei weitere Abschnitte von 60 mm Breite und 60 mm Länge hergestellt, wobei jede dieser vier Teile entsprechend den Durchtrittsöffnungen für die Zufuhr des gasförmigen Reaktanten mit Durchtrittsöffnungen versehen wurde. Anschließend wurde ein Paar der Platten mit den entsprechenden Durchbrechungen durch entsprechendes Zuschneiden zur Erzielung von Durchtrittskanälen herge stellt, so daß letztlich vier Verteilerplatten zur Verbindung mit einer der Oberflächen des Separators erhalten wurden. Auf die gleiche Weise unter Beibehaltung der gleichen Abmessungen und Materialien wurden vier Verteiler platten hergestellt, um sie auf der anderen Oberfläche des Separators zu befestigen.

(4) Flexibles Graphitblatt

Es wurde ein GRAFOIL-Bogen (Hersteller: U.C.C., (Schütt)- Dichte von 1,10 g/cm³) in einer Dicke von 0,13 mm entspre chend den Abmessungen der zu verbindenden Oberflächen zugeschnitten.

Nach Aufbringen eines Phenolharz-Klebstoffes auf beide Oberflächen des Separatormaterials und auf eine der Seiten des GRAFOIL-Bogens wurde der derart aufgebrachte Klebstoff getrocknet und die beiden Materialien bei 1,08 MPa Minuten verpreßt.

Anschließend wurde der gleiche Klebstoff auf die GRAFOIL- Oberfläche der so verbundenen Materialien aufgebracht und getrocknet. Auf gleiche Weise wurde der gleiche Klebstoff auf die Rippenoberfläche des Elektrodenmaterials und auf die Verbindungsflächen des Verteilermaterials, das mit GRAFOIL zu verbinden war, aufgetragen, und der so aufgebrachte Klebstoff getrocknet.

Anschließend wurden diese erwähnten Materialien in eine Metallform gebracht, so daß die Materialien eine vorbe stimmte Form ergaben, nämlich die Form, in welcher jeder der beiden Elektrodenmaterialien auf jeder der beiden Ober flächen des oben erwähnten Separators und das Verteiler material auf dem verlängerten Teil des Separators jenseits der Elektrode angeordnet ist, und die derart eingebrachten Materialien wurden bei 135°C unter einem Druck von 1,08 MPa 20 Minuten lang miteinander verbunden, und die derart miteinander verbundenen Materialien wurden 60 Minuten bei 2000°C in einer Stickstoffatmosphäre calciniert, wobei ein Elektrodensubstrat für Brennstoffzellen erhalten wurde, welches mit dem Verteilerelement in dem Kohlenstoffkörper versehen war.

Claims

1. Elektrodensubstrat mit Verteilerelement für eine Brennstoffzelle enthaltend

1) zwei poröse und kohlenstoffhaltige Elektroden, die jeweils Durchlaßkanäle für gasförmige Reaktanten aufweisen und mit beiden Oberflächen eines Separators über einen flexiblen Graphitbogen verbunden sind, und
2) den Separator, der über die Elektrode hinausreicht, wobei die poröse und kohlenstoffhaltige Elektrode eine Dichte von 0,3 bis 0,9 g/cm³, eine Gaspermeabilität von nicht weniger als 566 cm³/cm²· s · bar und einen elektrischen Widerstand nicht größer als 200 mΩ · cm hat,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilerelement aus einer gasundurchlässigen kompakten Kohlenstoffplatte besteht, die eine Durchtrittsöffnung für die Zufuhr des gasförmigen Reaktanten hat und mit dem verlängerten Teil des Separators über den flexiblen Graphitbogen verbunden ist, wobei die zusammengesetzten Materialien zu einem Körper aus Kohlenstoff zusammengepreßt sind.

2. Elektrodensubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Separator eine Dicke von nicht mehr als 2 mm, eine Dichte von nicht weniger als 1,40 g/cm³, eine Gaspermeabilität nicht größer als 2,83 · 10^-6cm³/cm² · s · bar, und einen elektrischen Widerstand nicht größer als 10 mΩ · cm hat.

3. Elektrodensubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Verteilerelement eine Dichte von nicht weniger als 1,40 g/cm³ und eine Gaspermeabilität von nicht mehr als 2,83 × 10^-4cm³/cm²· s · bar hat.

4. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodensubstrates mit einem Verteilerelement für eine Brennstoffzelle, wobei man

- zwei flexible Graphitbögen mit den beiden Flächen eines Separatormaterials mittels eines Klebstoffes verbindet, und
- zwei poröse kohlenstoffhaltige Elektrodenmaterialien mit den flexiblen Graphitbögen mittels eines Klebstoffs unter den Bedingungen einer Temperatur von 100° bis 180°C, eines Drucks von 0,25 bis 5,00 MPa und einer Preßdauer von 1 bis 120 Minuten verbindet, wobei das poröse kohlenstoffhaltige Elektrodenmaterial eine Dichte von 0,3 bis 0,9 g/cm³, eine Gaspermeabilität von nicht weniger als 566 cm³/cm²· s · bar und einen elektrischen Widerstand nicht größer als 200 mΩ · cm hat, nachdem es bei einer Temperatur von nicht weniger als 1000°C unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre calciniert worden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß man

1) den Klebstoff auf jede der Verbindungsflächen von jeweils
- (a) zwei porösen und kohlenstoffhaltigen Elektrodenmaterialien, welche in ihrer Oberflächenabmessung kleiner als der Separator sind und Durchflußkanäle für den gasförmigen Reaktanten besitzen,
- (b) den flexiblen Graphitbögen und
- (c) einem Verteilermaterial aufbringt, das aus einer gasundurchlässigen und kompakten Kohlenstoffplatte besteht,
2) die beiden Elektrodenmaterialien mit den beiden Oberflächen des Separatormaterials über den flexiblen Graphitbogen verbindet und das Verteilerelementmaterial mit dem verlängerten Teil des Separatormaterials jenseits des Elektrodenmaterials über den flexiblen Graphitbogen verbindet,
3) die derartig miteinander verbundenen zusammengesetzten Materialien unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre calciniert und
4) Durchtrittsöffnungen bei einem beliebigen Verfahrens schritt dieses Verfahrens anbringt, die dann Durchtrittskanäle für die Zufuhr des gasförmigen Reaktanten sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff auf jede der Verbindungsflächen des Elektrodenmaterials aufgebracht wird, welches ausgewählt ist aus

1) einem verformten Material, hergestellt durch thermisches Verformen einer Mischung aus kurzen Kohlenstoffäden, einem Bindemittel und einer organischen granularen Substanz und das unter Druck zu einem einstückigen Körper verpreßt ist,
2) einem calcinierten Material, welches durch Calci nieren des verformten Materials gemäß (1) unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre
3) einem verformten Material, welches
- (a) einen Gasdiffusionsteil aus einem mit Harz imprägnierten Papierbogen besteht, der durch Imprägnieren eines Papierbogens, hergestellt aus kurzen Kohlenstoffäden, mindestens einer Sorte organischer Fäden oder Fasern aus der Gruppe von Pulpe, regenerierten Cellulosefäden und Polyacrylnitrilfäden und einem Bindemittel zur Papierherstellung nach einem Papierherstellungsverfahren, mit einer Lösung eines Phenolharzes erhalten worden ist, und
- (b) Rippen aufweist, die aus der obigen Mischung von (1) geformt sind und
4) einem calcinierten Material, welches durch Calcinieren des verformten Materials gemäß 3) unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre erhalten worden ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Graphitbögen mit dem Separatormaterial in Form einer kompakten Kohlenstoffplatte verbunden sind, welche eine Calcinierungsschrumpfung von nicht mehr als 0,2% beim Calcinieren bei einer Temperatur von 2000°C unter einem verringerten Druck und/oder unter inerter Atmosphäre hat.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Verteilerelements ein kompaktes Kohlenstoffmaterial ist, welches bei Calcinierung eine Schrumpfung von nicht mehr als 0,2% aufweist, wenn das Verteilerelement unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre bei 2000°C calciniert worden ist, und daß dieses Material mit dem verlängerten Teil des Separatormaterials verbunden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Graphitbogen, die durch Verpressen expandierter Graphitteilchen hergestellt worden sind, mit den beiden Oberflächen des Separatormaterials verbunden werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Graphitbogen hergestellt worden sind durch Verpressen von expandierten Graphitteilchen, die erhalten wurden, indem man die Graphitteilchen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 5 mm einer Säurebehandlung unterwirft und die derart mit Säure behandelten Teilchen weiter erhitzt, wobei der Bogen eine Dicke von nicht mehr als 1 mm, eine Dichte von 1,0 bis 1,5 g/cm³ hat und die Kompressionsbelastung nicht größer als 3,57 × 10^-2 mm²/N ist, und die Flexibilität so bemessen ist, daß das Blatt beim Biegen um einen Bogen mit einem Durchmesser von 20 mm nicht bricht, und daß diese mit den beiden Oberflächen des Separatormaterials verbunden werden.

10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff ein wärmehärtbares Harz aus der Gruppe der Phenolharze, Epoxyharze und Furanharze ist und auf jede der verbindenden Flächen des Elektrodenmaterials, auf die flexiblen Graphitbogen und das Material des Verteilerelementes aufgebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamten zusammengesetzten Materialien, die derart verbunden sind, bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre calciniert werden.